(57)【要約】【課題】ロータ停止位置を高精度に判定する。【解決手段】複数のコイルＵ、Ｖ、Ｗが巻回されるステータの対向位置に、永久磁石を有するロータを回転自在に支持して構成されるブラシレスモータ２のロータ停止位置判定装置１であって、複数のコイル通電経路（ＵＶ相、ＶＵ相、ＶＷ相、ＷＶ相、ＷＵ相、ＵＷ相）に対して個別に通電するコイル通電部３と、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出する飽和点検出部４と、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間を計測すると共に、各コイル通電経路の計測時間にもとづいてロータの停止位置を判定する制御部５と、を備え、計測した各コイル通電経路の計測時間は、ロータの停止位置に応じて三相波形を描くように変化し、制御部５は、計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルが巻回されるステータの対向位置に、永久磁石を有するロータを回転自在に支持して構成されるブラシレスモータのロータ停止位置判定装置であって、
複数のコイル通電経路に対して個別に通電するコイル通電手段と、
各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出する飽和点検出手段と、
通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間を計測する時間計測手段と、
各コイル通電経路の計測時間にもとづいてロータの停止位置を判定するロータ停止位置判定手段と、を備え、
前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間は、ロータの停止位置に応じて三相波形を描くように変化し、
前記ロータ位置判定手段は、
前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出することを特徴とするブラシレスモータのロータ停止位置判定装置。
【請求項２】
前記ロータ位置判定手段は、
前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間に含まれるバイアス値を除去するバイアス値除去処理を行なうことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータのロータ停止位置判定装置。
【請求項３】
前記飽和点検出手段は、各コイル通電経路を流れる電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシレスモータのロータ停止位置判定装置。
【請求項４】
前記飽和点検出手段は、前記過渡的な電流値の低下を、当該電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力にもとづいて検出することを特徴とする請求項３記載のブラシレスモータのロータ停止位置判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスモータのロータ停止位置を判定するロータ停止位置判定装置に係り、特に、センサレス方式のブラシレスモータにおいて有用なロータ停止位置判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルが巻回されるステータの対向位置に、永久磁石を有するロータを回転自在に支持して構成されるブラシレスモータが知られている。この種のブラシレスモータは、複数のコイル通電経路を有し、これらのコイル通電経路を順次切り換えることによりロータを回転させる。そして、モータ起動時にロータを所定の方向に円滑に回転させるには、ロータの停止位置（停止範囲）を認識し、該停止位置に応じたコイル通電経路の選択が必要となるが、ホールセンサなどのセンサを組み込んでロータの停止位置を検出する方式では、ブラシレスモータの小型化を阻害するだけでなく、部品点数や配線数の増加に伴い製造コストを押し上げるという問題がある。
【０００３】
そこで、センサを用いることなくロータの停止位置を判定するロータ停止位置判定装置が提案されている。たとえば、特許文献１に示されるロータ停止位置判定装置では、コイルに対する通電の開始から、コイルを流れる電流値が所定の閾値に達するまでの時間を計測し、この計測時間にもとづいてロータの停止位置を判定するようになっている。つまり、コイルと対向している永久磁石の極性や磁界の強さに応じて、コイルの通電特性（電流の流れやすさ）が変化することに着目し、この通電特性の変化を、通電の開始から電流値が所定の閾値に達するまでの時間の変化として計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２８４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されるように、通電の開始から電流値が所定の閾値に達するまでの時間を計測するという方法では、良好な計測精度が得られず、ロータ停止位置を高精度に判定することは困難であった。つまり、上記の方法では、様々な条件下（コイルの温度変化など）でも飽和点に達しない電流値範囲を特定し、この電流値の範囲内で所定の閾値を設定する必要があるので、どうしても計測期間が短くなり、計測精度に限界があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、複数のコイルが巻回されるステータの対向位置に、永久磁石を有するロータを回転自在に支持して構成されるブラシレスモータのロータ停止位置判定装置であって、複数のコイル通電経路に対して個別に通電するコイル通電手段と、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出する飽和点検出手段と、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間を計測する時間計測手段と、各コイル通電経路の計測時間にもとづいてロータの停止位置を判定するロータ停止位置判定手段と、を備え、前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間は、ロータの停止位置に応じて三相波形を描くように変化し、前記ロータ位置判定手段は、前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出することを特徴とする。
また、前記ロータ位置判定手段は、前記時間計測手段が計測した各コイル通電経路の計測時間に含まれるバイアス値を除去するバイアス値除去処理を行なうことを特徴とする。
また、前記飽和点検出手段は、各コイル通電経路を流れる電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下を検出することを特徴とする。
また、前記飽和点検出手段は、前記過渡的な電流値の低下を、当該電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力にもとづいて検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１の本発明によれば、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間にもとづいてロータの停止位置を判定するので、通電の開始から電流値が所定の閾値に達するまでの時間を計測する場合に比べ、計測期間を可及的に長くし、ロータ停止位置を高精度に判定することができる。しかも、計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出するので、角度範囲（たとえば、６０゜ピッチ）を判定する従来のロータ停止位置判定装置に比べ、詳細なロータ停止角度判定が可能になる。
また、請求項２の発明によれば、計測した各コイル通電経路の計測時間に含まれるバイアス値を除去するバイアス値除去処理を行なうので、バイアス値に起因する誤差を排除し、ロータ停止位置の判定精度をさらに向上させることができる。
また、請求項３の発明によれば、電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下にもとづいて飽和点を検出するので、飽和点を精度良く検出し、ロータ停止位置の判定精度をさらに向上させることができる。
また、請求項４の発明によれば、過渡的な電流値の低下を、当該電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力にもとづいて検出するので、飽和点の検出精度をさらに向上させることができる。すなわち、過渡的な電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力は、過渡的な電流値の低下に比べて変化量が大きいので、飽和点を明確に識別できるだけでなく、簡単な回路構成（例えば、コンパレータ）で精度良く検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るブラシレスモータのロータ停止位置判定装置を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態に係る飽和点検出原理を示す波形図である。
【図３】本発明の実施形態に係る各コイル通電経路の計測時間とロータ停止位置との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態に係る制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。尚、ブラシレスモータ自体の構成や、ブラシレスモータを制御する主制御回路の構成は周知であるため（例えば、前述した特許文献１参照）、詳細な説明や図示を省略する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係るブラシレスモータのロータ停止位置判定装置を示す回路図である。
この図に示すように、本発明の実施形態に係るロータ停止位置判定装置１は、複数のコイルＵ、Ｖ、Ｗが巻回されるステータ（図示せず）の対向位置に、永久磁石を有するロータ（図示せず）を回転自在に支持して構成されるブラシレスモータ２のロータ停止位置を判定する装置であって、複数のコイル通電経路（ＵＶ相、ＶＵ相、ＶＷ相、ＷＶ相、ＷＵ相、ＵＷ相）に対して個別に通電するコイル通電部（コイル通電手段）３と、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出する飽和点検出部（飽和点検出手段）４と、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間Ｔを計測すると共に、各コイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）にもとづいてロータの停止位置を判定する制御部（時間計測手段、ロータ停止位置判定手段）５と、を備えている。
【００１１】
ここで、本実施形態のロータ停止位置判定装置１は、ブラシレスモータ２を制御する主制御回路６とは独立して構成され、主制御回路６からの要求に応じてロータの停止位置を判定し、当該判定結果を主制御回路６に送信するように構成されている。したがって、主制御回路６に設けられる保護回路（例えば、電流制限回路）などの影響を受けることなく、ロータ停止位置判定に係る測定処理を実行することができ、しかも、各種のブラシレスモータ制御回路に組込み可能な汎用性の高いものとできる。
【００１２】
コイル通電部３は、制御部５の出力信号に応じて、各コイル通電経路の通電状態を切換える複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備えて構成されている。例えば、本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴからなる６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備え、各コイル通電経路よりも上流側に配置される３個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３と、各コイル通電経路よりも下流側に配置される３個のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６を、所定の組み合せでスイッチング動作させることにより、前述した６つのコイル通電経路に対して個別に電流を流すことができるようになっている。
【００１３】
例えば、コイル通電経路のＵＶ相は、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ５の組み合せで通電され、ＶＵ相は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ６の組み合せで通電され、ＶＷ相は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の組み合せで通電され、ＷＶ相は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５の組み合せで通電され、ＷＵ相は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ６の組み合せで通電され、ＵＷ相は、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の組み合せで通電されるようになっている。
【００１４】
飽和点検出部４は、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出するにあたり、各コイル通電経路を流れる電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下を検出するようになっている。つまり、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出方法としては、各コイル通電経路を流れる電流値のピークを検出する方法もあるが、このような検出方法では、飽和点付近における電流値の緩やかな上昇を検出することになるので、電流値の飽和点を精度良く検出することは困難である。そこで、本発明においては、各コイル通電経路を流れる電流値が飽和点に達した際、電流値が過渡的に低下するという明確な現象に着目し、当該現象を検出することにより、電流値の飽和点を精度良く検出することを可能にしている。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態に係る飽和点検出原理を示す波形図である。
本実施形態の飽和点検出部４は、過渡的な電流値の低下を、当該電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力にもとづいて検出するようになっている。すなわち、図２に示すように、過渡的な電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力は、過渡的な電流値の低下に比べて変化量が大きいので、飽和点を明確に識別できるだけでなく、簡単な回路構成（例えば、コンパレータ）で精度良く検出することが可能になる。
【００１６】
各コイル通電経路を流れる電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下は、コイル通電経路の通電状態を切換えるスイッチング素子Ｑの動作特性を利用して発生させることができる。例えば、コイル通電経路のＵＶ相に通電する際のスイッチング素子Ｑ５に着目すると、スイッチング素子Ｑ５のゲート電圧は一定であり、通電当初、スイッチング素子Ｑ５のゲートソース間電圧は飽和領域にあるため、ＵＶ相を流れる電流値は増加し、それに伴って電圧も上昇する。電圧の上昇に伴ってスイッチング素子Ｑ５のゲートソース間電圧が減少し、飽和領域から線形領域に移行すると、コイル通電経路を流れる電流が制限（飽和）され、過渡的な電流値の低下が生じる。本実施形態の飽和点検出部４は、この過渡的な電流値の低下にもとづいて電流値の飽和点を検出するようになっている。
【００１７】
ところで、各コイル通電経路に通電して飽和点検出を行うにあたり、コイル通電経路毎に異なるスイッチング素子Ｑで過渡的な電流値の低下を発生させると、スイッチング素子Ｑの特性のバラツキに起因し、測定誤差が発生する可能性がある。そこで、本実施形態では、すべてのコイル通電経路が共有する共有通電経路（コイル通電部３の下流通電経路）に一つのスイッチング素子Ｑ７を設け、このスイッチング素子Ｑ７ですべてのコイル通電経路における過渡的な電流値の低下を発生させる。これにより、スイッチング素子Ｑの特性のバラツキに起因する測定誤差を排除することが可能になる。
【００１８】
本実施形態の飽和点検出部４は、具体的な構成要素として、上記のスイッチング素子Ｑ７と、その下流経路に設けられる抵抗Ｒ１と、過渡的な電流値の低下に伴う逆起電力の上昇を検出するコンパレータ７と、コンパレータ７の比較電圧（飽和点検出用の閾値Ｓ）を設定する抵抗Ｒ２、Ｒ３とを備えており、コンパレータ７の出力信号が制御部５に入力されるようになっている。
【００１９】
本実施形態の制御部５は、マイクロコントローラ（ワンチップマイコン）を用いて構成されており、各コイル通電経路に対する通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）を計測する時間計測処理と、各コイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）にもとづいてロータの停止位置を判定するロータ停止位置判定処理とを実行するためのプログラムが書き込まれている。
【００２０】
本実施形態の時間計測処理では、過渡的な電流値の低下を発生させるスイッチング素子Ｑ７と計測対象のコイル通電経路に対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に一定電圧を印加するのと同時に計時用カウンタをスタートさせると共に、コンパレータ７の出力信号を監視し、当該出力信号の立下がりに応じて計時用カウンタをストップさせ、カウント値を読み込む。このカウント値は、コイル通電経路に対する通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間に相当するものであり、以上の時間計測処理は、６つのコイル通電経路についてそれぞれ個別に実行される。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態に係る各コイル通電経路の計測時間とロータ停止位置との関係を示すグラフ図である。
この図に示すように、各コイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）は、ロータ停止位置と明確な関係を持つ。すなわち、３６０゜のロータ停止範囲において、６つコイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）は、ロータが作り出す磁界に応じて３相のサイン波形（１８０゜で１周期）を示すと共に、ロータが作り出す磁界の極性（Ｓ極、Ｎ極）に応じてサイン波形の振幅に大きな変化を生じさせる。
【００２２】
例えば、６つのコイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）のうち、最小となる計測時間に着目すると、最小となる計測時間が６０゜ピッチで入れ換わることが分る。したがって、最小となる計測時間を特定すれば、６０゜ピッチで６つに分割したロータ停止範囲Ｈ１〜Ｈ６のうち、どのロータ停止範囲にロータが停止しているかを判定することが可能になる。
【００２３】
また、各コイル通電経路の計測時間がロータの停止位置に応じた三相波形を描く場合、各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの詳細な停止角度を算出することができる。例えば、ＵＶ相の計測時間ＴｕｖとＶＵ相の計測時間Ｔｖｕとの平均値をＴｕ、ＶＷ相の計測時間ＴｖｗとＷＶ相の計測時間Ｔｗｖとの平均値をＴｖ、ＷＵ相の計測時間ＴｗｕとＵＷ相の計測時間Ｔｕｗとの平均値をＴｗとし、また、ＴｕとＴｗの差分をＸ、ＴｗとＴｖの差分をＹ、ＴｖとＴｕの差分をＺとした場合、下記の逆三角関数式を用いて、各ロータ停止範囲Ｈ１〜Ｈ６内における詳細なロータ停止角度を算出することができる。
ロータ停止角度＝ｔａｎ−１（（Ｙ−Ｚ）／（（√３）Ｘ））
【００２４】
つぎに、制御部５の処理手順について、図４を参照して説明する。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態に係る制御部の処理手順を示すフローチャートである。
この図に示すように、制御部５は、まず、主制御回路６からの要求信号を受信したか否かを判断する（Ｓ１）。この判断結果がＹＥＳの場合は、６つのコイル通電経路（ＵＶ相、ＶＵ相、ＶＷ相、ＷＶ相、ＷＵ相、ＵＷ相）において、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間Ｔを計測する（Ｓ２〜Ｓ７）。
【００２６】
時間計測処理では、計測対象のコイル通電経路に通電を開始すると同時に（Ｓ２１）、計時用カウンタをスタートさせ（Ｓ２２）、コンパレータ７の出力信号を監視する（Ｓ２３）。コンパレータ７の出力信号が立下がったら、計時用カウンタをストップさせる（Ｓ２４）。その後、計測対象のコイル通電経路に対する通電を停止すると共に（Ｓ２５）、計時用カウンタのカウント値を読み込む（Ｓ２６）。
【００２７】
各コイル通電経路の時間計測が完了したら、ロータの停止範囲を判定する（Ｓ８）。例えば、６つのコイル通電経路の計測時間（Ｔｕｖ、Ｔｖｕ、Ｔｖｗ、Ｔｗｖ、Ｔｗｕ、Ｔｕｗ）のうち、最小となる計測時間に着目し、前述したロータ停止範囲Ｈ１〜Ｈ６の判定を行なう。
【００２８】
次に、ロータの詳細な停止角度算出のために、計測時間の平均処理を行なう（Ｓ９）。例えば、ＵＶ相の計測時間ＴｕｖとＶＵ相の計測時間Ｔｖｕとの平均値Ｔｕ、ＶＷ相の計測時間ＴｖｗとＷＶ相の計測時間Ｔｗｖとの平均値Ｔｖ、ＷＵ相の計測時間ＴｗｕとＵＷ相の計測時間Ｔｕｗとの平均値Ｔｗを演算する。
【００２９】
次に、計測時間に含まれるバイアス値を除去するバイアス除去処理を行なう（Ｓ１０）。これはバイアス値が温度などに応じて変化する誤差要因だからである。具体的な処理内容としては、例えば、ＴｕとＴｗの差分Ｘ、ＴｗとＴｖの差分Ｙ、ＴｖとＴｕの差分Ｚを演算する。
【００３０】
次に、下記の逆三角関数式を用いて、各ロータ停止範囲Ｈ１〜Ｈ６内における詳細なロータ停止角度を算出する（Ｓ１１）。
ロータ停止角度＝ｔａｎ−１（（Ｙ−Ｚ）／（（√３）Ｘ））
【００３１】
その後、判定したロータ停止範囲やロータ停止角度を主制御回路６に送信し（Ｓ１２）、最初の処理ステップＳ１に戻る。
【００３２】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、複数のコイルＵ、Ｖ、Ｗが巻回されるステータの対向位置に、永久磁石を有するロータを回転自在に支持して構成されるブラシレスモータ２のロータ停止位置判定装置１であって、複数のコイル通電経路（ＵＶ相、ＶＵ相、ＶＷ相、ＷＶ相、ＷＵ相、ＵＷ相）に対して個別に通電するコイル通電部３と、各コイル通電経路を流れる電流値の飽和点を検出する飽和点検出部４と、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間を計測すると共に、各コイル通電経路の計測時間にもとづいてロータの停止位置を判定する制御部５と、を備え、計測した各コイル通電経路の計測時間は、ロータの停止位置に応じて三相波形を描くように変化し、制御部５は、計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出する。すなわち、通電の開始から電流値の飽和点が検出されるまでの時間にもとづいてロータの停止位置を判定するので、通電の開始から電流値が所定の閾値に達するまでの時間を計測する場合に比べ、計測期間を可及的に長くし、ロータ停止位置を高精度に判定することができる。しかも、計測した各コイル通電経路の計測時間から逆三角関数を用いてロータの停止角度を算出するので、角度範囲（たとえば、６０゜ピッチ）を判定する従来のロータ停止位置判定装置に比べ、詳細なロータ停止角度判定が可能になる。
【００３３】
また、制御部５は、計測した各コイル通電経路の計測時間に含まれるバイアス値を除去するバイアス値除去処理を行なうので、バイアス値に起因する誤差を排除し、ロータ停止位置の判定精度をさらに向上させることができる。
【００３４】
また、制御部５は、電流値が飽和点に達した際に生じる過渡的な電流値の低下にもとづいて飽和点を検出するので、飽和点を精度良く検出し、ロータ停止位置の判定精度をさらに向上させることができる。
【００３５】
また、制御部５は、前記過渡的な電流値の低下を、当該電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力にもとづいて検出するので、飽和点の検出精度をさらに向上させることができる。すなわち、過渡的な電流値の低下に伴ってコイル通電経路に生じる逆起電力は、過渡的な電流値の低下に比べて変化量が大きいので、飽和点を明確に識別できるだけでなく、簡単な回路構成（例えば、コンパレータ）で精度良く検出することが可能になる。
【００３６】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、特許請求の範囲から逸脱しない限り、構成の変更や追加は適宜行うことができることは言うまでもない。
【００３７】
例えば、前記実施形態では、Ｙ結線のブラシレスモータを例示したが、コイルの結線方式はΔ結線であってもよい。また、ブラシレスモータにおけるロータの磁極数や、ステータのコイル数も任意である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ロータ停止位置判定装置
２  ブラシレスモータ
３  コイル通電部
４  飽和点検出部
５  制御部
６  主制御回路
７  コンパレータ
Ｑ  スイッチング素子
【図１】
2013183592.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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